Coupling between magnetic and ferroelectric orders in multiferroics by Raman scattering
Une approche optique de l'intrication entre le magnétisme et la ferroélectricité dans les multiferroïques
Résumé
Multiferroic materials present the rare property to present simultaneously magnetic and ferroelectric orders in interaction. This interaction corresponds to the magnetoelectric coupling. Thereby, magnetoelectric materials can potentially be used to control spins by an external electric field. This feature seems promising in spintronics and in magnonics that use magnetic excitations (spin wave) for information processing. Multiferroic materials can be divided into two families. The types I (BiFeO3) which present a coexistence of the magnetic and ferroelectric orders, and the types II (TbMnO3) where the ferroelectricity is induced by the spin structure. In BiFeO3 the interaction between the ferroelectric and magnetic orders offers the opportunity to control spins with an electric field. We show that in BiFeO3, a room-temperature magnetoelectric material, the spin-wave frequency can be tuned electrically by over 30%, in a non-volatile way and with virtually no power dissipation. These results showed that BiFeO3 is a very promising material for the generation and the control of spin waves in the future magnonic devices. In TbMnO3 the coupling of the orders gives rise to a hybrid excitation: the electromagnon. Electromagnons are spin wave excitations which possess an electric dipole. We show the deshybridisation of this excitation with the application of a magnetic field of 8 T. We determine the magnetic excitation at the origin of the electromagnon and the phonon mode at the origin of the dipole activity.
Les multiferroïques sont des matériaux qui présentent la rare propriété de posséder simultanément un ordre magnétique et un ordre ferroélectrique qui interagissent via le couplage magnétoélectrique. Un tel couplage est un enjeu considérable dans l'électronique de spin et le stockage de l'information car il offre l'opportunité de contrôler les spins via un champ électrique et vice versa. Les multiferroïques se séparent en deux grandes familles. Les types I comme BiFeO3 qui présentent une coexistence des ordres magnétique et ferroélectrique et les types II comme TbMnO3 où la ferroélectricité est induite par la structure de spin. Dans BiFeO3 la coexistence et l'interaction des ordres offrent l'opportunité de contrôler les spins via un champ électrique. En développant un dispositif transistor pour l'application du champ électrique sur les monocristaux de BiFeO3 à température ambiante, nous avons montré que la fréquence des ondes de spin peut être modifiée électriquement de 30%. Ces résultats ont montré que BiFeO3 est un matériau très prometteur pour la génération et le contrôle d'onde de spin dans les futurs dispositifs magnoniques. Dans TbMnO3 la filiation des ordres donne naissance à des excitations hybrides : des électromagnons, excitations d'onde de spin possédant un dipôle électrique. Nous avons mis en évidence par diffusion Raman l'existence de cette onde de spin polaire ainsi que la deshybridation de ces excitations lors de l'application d'un champ magnétique. Ce champ fait transiter TbMnO3 d'un état ferroélectrique à un état paraélectrique permettant de dévoilé les composantes magnétique et électrique élémentaires à l'origine des électromagnons.
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